司家营铁矿厚大矿体空场嗣后充填开采协同支护方法

2018-06-14胡巍巍翟会超

金属矿山 2018年5期

胡巍巍　翟会超

（河钢集团矿业公司，河北唐山063000）

随着工业化程度的不断提高及环保力度不断加强，空场嗣后充填采矿技术在地下金属矿山得到广泛应用，尤其是产能释放大的铁矿山[1-3]。然而大规模高效群采带来的地压变化势必影响采场矿房矿柱和围岩的稳定性以及采矿作业安全和生产可持续性，探寻一种综合利用围岩、充填体协同支护的方法[4-5]对井下安全经济开采意义重大。

1　支护体系分析

研究发现，矿体大规模开采过程中，由于地压变异影响，在矿体水平宽度范围内，矿块上覆岩层中形成不可逆三铰拱承载结构，来承担拱形结构之上的矿岩重力，拱形之下的岩层自重则需要二步回采矿房矿柱来支撑维护。利用新奥法思想，在一二步矿房凿岩硐室形成的过程中，适当让硐室顶板（即矿块顶板）岩体自行变形、释放应力，然后再利用大水矿山注浆的工艺过程，加以锚固注浆（中空锚杆注浆和中空锚索注浆）。其中，中空锚杆注浆主要作用在于顶板浅层加固；中空锚索注浆则在于深部加固，并将大跨度不可逆三铰拱结构之下岩层自重悬挂到拱形结构上，形成拱悬挂桥梁支护体系，如图1所示。

该拱悬挂桥梁支护体系，首先是利用矿房上部刚掘进的凿岩硐室，在硐室顶板打入注浆中空锚杆，形成各个矿房顶板浅层小拱压缩区来承载大拱下覆岩层自重；再在每个矿房或相隔几个矿房的凿岩硐室顶板打入注浆锚索，形成深部悬挂机构，将大拱下覆岩层自重分配到大跨不可逆三铰拱结构上；最后在矿体上下盘矿房凿岩硐室水平或微倾斜打入注浆锚杆加固大跨三铰拱拱脚承载能力。这样，就会形成包含深层锚索悬挂机构、浅层锚杆压缩机构、上下盘水平加固机构、矿房围岩自稳机构4个承载机构的拱悬挂桥梁支护承载体系。

2　结构力学模型

拱悬挂桥梁支护承载力学结构，见图2所示。

根据结构体系平衡，可得：

式中，VA、VB均为拱脚垂直反力；HA、HB均为拱脚水平反力；Fi为注浆锚索悬挂力；x代表横坐标值；f为大跨拱拱失；L为大跨拱跨度；为对应简支梁C点处弯矩；q（x）为荷载。

模型中的Fi可根据大跨不可逆三铰拱下覆岩层自重进行简化近似求解计算：

则中空注浆锚索总长度简化计算为：

3　工程应用

司家营南区为国内罕见的大水地下矿山，采用空场嗣后充填法开采，设计年产铁矿石1 500万t，该矿体属于倾斜到急倾斜厚大矿体[6]，水平厚度约200 m，倾角45°～60°，首采水平上覆荷载q=10.4 MPa，矿体单轴抗压强度13.59 MPa，矿岩密度3 300 kg/m3，设计矿房长度（L＇）50 m、宽20 m，阶段高度50 m。

首先，选择中空注浆锚索钻孔孔直径0.032 m，锚索强度1.76×109Pa，利用式（2）与（3）可得到锚索总长度值为360 m，考虑施工设计与组织便捷，研究选定每根锚索长度均等20 m，则需要18根锚索，即在矿房长度方向上布设6排悬挂锚索，每排在横跨上均匀布置3根。

其次，利用式（1）和已经设计好的锚索布设位置，对悬挂桥梁支护承载结构的内力进行计算，得到VA=VB=3.5×109N，按照拱脚处承载宽度为20 m，承载长度为50/3 m（因为3排锚索承担的长度是50 m，每排则是50/3 m），则拱脚处压应力值为10.5 MPa＜13.59 MPa，属于稳定状态，故可以不进行拱脚处的注浆锚杆加固。

最后，受大规模开采强爆破扰动影响，矿块顶板水平的浅层中空注浆锚杆加固是必要的，也是形成大跨拱结构下覆岩层托梁的必要手段。基于悬挂拱桥协同支护结构的应用，司家营南区地下大规模开采安全可得到充足保障，确保地表环境不受破坏。

4　数值模拟

针对拱悬挂桥梁支护承载体系平面问题进行数值模拟[7-8]，非连续介质模型同前一样。矿体首采水平矿块内矿房划分为一二步矿房，一步矿房宽20 m，二步矿房宽26 m，矿块内部在开采水平的矿体中央、上盘及下盘3处位置分别布设1条长20 m注浆锚索，矿块内各个矿房均匀布置5 m长锚杆，数值计算首采水平在支护前后的顶板位移、冒落、结构面屈服等变化情况。

图3、图4的位移计算结果显示，在没有支护作用的保障下，靠近上盘矿房危险单元块的顶板发生了显著冒落现象，位移已经高达2.5 m，并有其他矿房伴随冒落的可能性。而经过深部锚索加固和顶板浅部锚杆加固作用后，顶板变形收到有效限制，在不平衡力趋于0的同时，顶板位移仅为0.5 m，并趋于稳定，说明矿岩体自稳性与外部支护技术协同维护采场围岩工程稳定性。